近日，国际晶体学领域权威期刊《Acta Crystallographica》发表了一项重要研究成果：科研人员采用光学浮区法（OFZ）成功生长出直径3.5-5毫米、长度达40毫米的氧化镁（MgO）单晶，纯度达到5N级（99.999%），较市售高纯氧化镁衬底晶体纯度提高一个数量级以上。

突破技术瓶颈：高纯氧化镁单晶的生长

氧化镁作为一种重要的宽禁带绝缘材料，熔点高达2825°C，蒸发速率极高，且具有完美的{100}解理特性，这些特性使其单晶生长极具挑战性。传统上，市售氧化镁单晶主要采用电弧熔融法生长，但该方法受限于电极等引入的杂质，晶体纯度通常仅能达到约99.99%（4N级）。

在本研究中，科研团队采用光学浮区法——一种无坩埚晶体生长技术，成功克服了上述挑战。研究团队使用高纯陶瓷原料（纯度99.995%及以上）作为进料棒，在氩气/氧气混合气氛中、绝对压力7.5-10.75巴条件下，以35-50毫米/小时的高生长速率成功制备出无裂纹的氧化镁单晶。

纯度验证：从4N到5N的跨越

研究团队通过微区X射线荧光光谱（µ-XRF）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）对生长晶体的化学成分进行了系统分析。结果显示，采用高纯陶瓷进料棒生长的晶体（M4、M5、M6）中，关键杂质含量显著降低：

钙含量降至 5-11 ppm

铝含量低至 10 ppm以下

钒、铬、钛、锰、锌等过渡金属杂质均低于检测限

这些数据证实，光学浮区法生长的氧化镁单晶纯度达到5N级（99.999%），较传统电弧熔融法生长的晶体纯度提升了一个数量级以上。

研究指出，光学浮区法作为无坩埚技术，避免了电极等部件对熔体的污染，同时由于熔体温度极高且表面积与体积比较大，锌、钒、铬、铁、锰等挥发性杂质在生长过程中被有效蒸发去除。这一净化机制是获得高纯度晶体的关键。

应用前景：为外延薄膜与新型器件提供理想衬底

高纯氧化镁单晶作为衬底材料，在多个尖端应用领域具有重要价值。

首先，外延薄膜生长是衬底材料最核心的应用方向。研究明确指出，所制备的高纯单晶经精密抛光后形成衬底，可“作为基于外延生长薄膜的新型器件概念开发的坚实基础”。外延薄膜是半导体器件、超导薄膜、磁性薄膜等功能材料的基础，衬底的纯度和晶体质量直接影响外延层的性能。

其次，透明陶瓷领域对高纯氧化镁有重要需求。氧化镁在可见光和近紫外光范围内具有强折射性，且透明度高，是透明陶瓷的重要组成材料。高纯氧化镁粉体作为烧结助剂，可显著提升透明陶瓷的致密度和光学性能。本研究制备的5N级氧化镁单晶，代表了氧化镁材料纯度的高端水平，为高性能透明陶瓷的开发提供了原料纯度参照。

再次，闪烁晶体和靶材领域同样依赖高纯度氧化镁。闪烁晶体是辐射探测器的核心材料，氧化镁可作为闪烁晶体的基质或掺杂基质；而高纯氧化镁靶材则广泛应用于磁控溅射等物理沉积工艺，用于制备光学薄膜、保护膜等功能薄膜。本研究中通过光学浮区法制备的高纯氧化镁单晶，验证了5N级氧化镁材料的可获得性，为上述应用领域的高纯原料供应提供了技术可行性支撑。

研究意义与未来展望

本研究首次证明了光学浮区法可用于生长氧化镁单晶，并将该材料的纯度标准从4N级提升至5N级。研究团队通过热力学计算和数值模拟，揭示了杂质蒸发机制和晶体生长过程中的温度场、应力场分布，为工艺优化提供了理论指导。

研究指出，下一步将聚焦于进一步稳定生长工艺、提高晶体纯度、降低晶体中气孔密度，并开展外延薄膜生长的后续研究。随着生长工艺的持续优化，高纯氧化镁单晶衬底有望在半导体、光电子、量子器件等前沿领域发挥重要作用。

*研究由欧洲研究理事会（ERC）提供资助，原文发表于 Acta Crystallographica Section B（2026年2月，第82卷，第2-13页）。*

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